LiDAR rychle získává zájem a je nasazován v ADAS a automatizovaných systémech snímání vozidel, ale existují různé způsoby, jak tuto technologii implementovat. Tento článek vysvětluje tyto přístupy a relativní výhody koherentní detekce LiDAR.
Detekce světla a měření vzdálenosti (lidar) byla poprvé konceptualizována ve 30. letech 20. století téměř současně s rádiovou detekcí a měřením vzdálenosti (radar). Technologie však byla prokázána až s příchodem laserů v 60. letech 20. století a v následujících letech vedl rozvoj optických komunikací k výraznému pokroku v oblasti laserů a technologie optické modulace.
V roce 2008 debutoval v osobním automobilu Volvo první komerčně dostupný systém LiDAR, původně nazývaný „optický radar“. Tato průlomová technologie pohání jeden z prvních systémů automatického nouzového brzdění (AEB), který umožňuje vozidlům automaticky brzdit, aby se předešlo nebo zmírnilo nárazy zezadu.
Po svém brzkém zavedení před 15 lety (a jeho následném nahrazení radarem jako levnější alternativou k AEB) se lidar s vysokým rozlišením rychle vyvinul, aby se stal klíčovým snímačem s vysokým rozlišením pro programy samořídících vozů a podpořil řadu technologických inovativní a dobře financované start-upy. Technologie, která nabízí větší dosah, vynikající rozlišení a 3D vizualizaci okolí vozidla v reálném čase, nyní dospívá do důležitého paradigmatu senzorů nejen pro autonomní řízení, ale také jako doplněk k pokročilým asistenčním systémům pro řidiče (ADAS) v osobních a užitkových automobilech. flotily.
Senzory LiDAR vysílají fotony v infračerveném spektru, aby detekovaly a vytvořily 3D obrazy svého okolí. Ukazuje se, že jsou velmi oblíbené v automobilových aplikacích. Hlavní výhodou LiDARu oproti radaru je, že použité světlo má velmi krátkou vlnovou délku, což umožňuje přesné měření. LIDAR navíc dokáže fungovat za jakýchkoliv světelných podmínek a má lepší dosah detekce ve srovnání s kamerami. Data zachycená senzory LIDAR lze považovat za „mračno bodů“.
Při vývoji systému LiDAR je třeba zvážit mnoho věcí, například jakou vlnovou délku použít, jak skenovat a jak se vypořádat s rušením. Největší rozhodnutí, které musí systém učinit, je však to, jak nejlépe detekovat vracející se fotony. Existují dva hlavní konkurenti, přímá detekce a koherentní detekce.
Přímá detekce
V systému přímé detekce je emitován laserový impuls, který účinně spustí časovač. Když je přijat návrat laserového pulsu, laser se zastaví a vypočítá vzdálenost na základě uplynulého času. Viz obrázek 1.
Obrázek 1: Protože rychlost světla (c) je konstantní, vzdálenost k cíli je Δtc/2, kde Δt je čas mezi začátkem přenosu fotonu a frontou příjmu fotonu.
Na vzdálenosti do cca 50m není potřeba kvalitní laditelný jednomódový laser (jelikož je to prostě zdroj, který komprimuje velké množství fotonů v krátkém čase) ani modulace a tím se zjednoduší obvody pohonu. Pro kompenzaci aberací čela vlny není nutná ani přesná optika.
Proč krátký dosah? Jak se plocha osvětlení se vzdáleností zvětšuje, zpětný výkon klesá (jako čtverec vzdálenosti). Poznámka: Vzorec pro tento výpočet je: zpětný výkon se přibližně rovná vysílacímu výkonu x (cílová plocha/osvětlená plocha) x (přijímaná plocha/(π x dosah2)). Této ztrátě se nelze vyhnout, takže nejjednodušším řešením je přenést větší výkon nebo zvýšit citlivost přijímače.
Množství laserového výkonu, který lze použít, je však omezeno. Intenzivní blízké infračervené (IR) světlo (800 až 1400ηm) může zhoršit lidské vidění. Pouhé zvýšení vysílacího výkonu NIR světla v aplikacích ADAS nebo samořídících automobilech může představovat nebezpečí pro ostatní účastníky silničního provozu a chodce.
Pro zlepšení citlivosti příjmu lze zvýšit sběr fotonů použitím přijímacích čoček s větší plochou. Kromě toho lze použít lavinové fotodiody (APD, fotodiody s vnitřním ziskem), i když bývají drahé, křehké a malé (což dále komplikuje optiku systému) a mohou poskytnout pouze asi 15násobný zisk, než dojde k samogenerovanému šumu. se stává problémem A. Jiné typy senzorů, jako jsou lavinové fotodetektory Geiger Mode (GMAPD) a jednofotonové lavinové detektory (SPAD), poskytují lepší citlivost v systémech LIDAR s přímou detekcí, ale jsou méně účinné v zasněženém, prašném nebo mlhavém prostředí.
Kromě toho všechny detekční systémy vyžadují určitou formu zmírnění rušení. Ať už se jedná o radar nebo LIDAR, systém potřebuje vědět, že signál (buď pulzní rádiové vlny nebo fotony) přijímaný přijímačem přichází z vysílače. Problémy s rušením se objevily v prvních dnech pulzního automobilového radaru. Jakmile byla řada aut vybavena radarem, vzájemné rušení se stalo problémem. Nejoblíbenějším řešením byl přechod na techniky koherentní detekce, kdy radarový systém primárně využívá frekvenčně modulované spojité vlny (FMCW – viz níže).
Dalším omezením lidaru s přímou detekcí je to, že neměří přímo rychlost v každém bodě – místo toho se musí vypočítat určením, jak se rozsah mění v čase (tj. porovnáním více po sobě jdoucích snímků), což může zhoršit odezvu systému.
Koherentní detekce a FMCW
Jedná se o míchání vzorků dopadajícího světla s procházejícím světlem, což má dvě hlavní výhody. Za prvé, bezšumového zesílení fotonového zisku lze dosáhnout interferencí s fázovou délkou (tj. přijímaný signál je násoben přenášeným signálem), což umožňuje systému dosáhnout vynikající citlivosti s lasery s velmi nízkým výkonem. Za druhé, smícháním vysílaných a přijímaných signálů je systém LiDAR vysoce selektivní, protože světlo, které nemá přesně stejnou vlnovou délku (např. sluneční světlo nebo světlo ze sousedních systémů LiDAR), je jednoduše ignorováno.
Existuje několik způsobů, jak implementovat systémy koherentní detekce LiDAR, ale nejoblíbenější je modulace frekvenčně modulované spojité vlny (FMCW). Obrázek 2 ukazuje zjednodušený příklad.
Obrázek 2: Laser pracuje kolem 1550 nm a moduluje na několika stech MHz (např. od 1550,002 do 1550 nm). Emitovaný (a odražený) signál je asi 200 THz. Po optickém smíchání fotodioda prezentuje součet a rozdíl obou signálů. Fotodioda má omezenou šířku pásma a nereaguje na součty kolem 400 THz a dokáže detekovat pouze rozdílové signály několika stovek MHz.
V praxi je laser skenován nahoru a dolů ve frekvenci pro vytvoření profilu pilových zubů (frekvence vs. čas), ze kterého lze odvodit vzdálenost a rychlost; pro druhé zvažte Dopplerův jev. Obrázek 3 ukazuje podrobnější přehled optiky.
Obrázek 3: Hlavní optické komponenty lidarového systému FMCW.
Přestože jsou FMCW lidary složitější než systémy přímé detekce, mají mnoho výhod. Například, jak je uvedeno výše, zpětný signál je násoben vzorkem získaným z vysílacího zdroje (lokální oscilátor, LO na obrázku 4). Kvůli vysoké ztrátě dráhy lidaru může být i několik procent LO mnohem větší než návratový signál. Míra zesílení signálu je velmi vysoká, ale omezená na signály přesně stejné vlnové délky, což vede k vysoké účinnosti fotonů.
Například FMCW lidarový systém s dosahem asi 300 m může být realizován s výkonem laseru menším než 200 mW. Pro stejný rozsah by podobný systém přímé detekce vyžadoval 1000násobek špičkového výkonu. Je pozoruhodné, že FMCW je srdcem dalších oblastí LiDAR; například přístroje optické výškoměry s dosahem až několik kilometrů a laserové Dopplerovy přístroje LiDAR pro charakterizaci větru s dosahem více než 500 m.
Další výhodou koherentního lidaru je poměrně malá šířka pásma signálového řetězce. Pokud vezmeme v úvahu vlnové délky na obr. 3 (kde laser snímá od 1550,002 do 1550ηm), šířka pásma fotodiody může být omezena na několik stovek MHz. systémy přímé detekce vyžadují co nejširší šířku pásma (obvykle více než 2 GHz), aby bylo možné rozlišit náběžnou hranu přijatého impulsu.
Je pochopitelné, že užší šířka pásma umožňuje použití zesilovačů vzájemné impedance s nižším šumem a pomalejších analogově-digitálních převodníků na fotodiodě.
A konečně, koherentní detekce poskytuje informace o rychlosti na bod. Výhoda rychlosti na bod spočívá v tom, že jde o další kontextovou metriku, kterou mohou následné snímací systémy použít při interpretaci dat LiDAR (a dalších senzorů), což umožňuje činit informovanější rozhodnutí.
Různé výhody koherentní detekce jsou proto významné, ale koherentní lidar není bez problémů.
Laser musí být schopen udržet svou fázovou integritu po dostatečně dlouhou dobu, aby jeho světlo dosáhlo a vrátilo se z nejvzdálenějšího cíle. Pokud se fáze laseru během doby přenosu výrazně změní, může dojít ke ztrátě koherence a může dojít k rozmazání měření vzdálenosti. Navíc to musí být FM (v případě FMCW). Většina diodových laserů tento úkol nesplňuje, ale na komerčním trhu se objevily některé polovodičové laditelné lasery.
Navíc ne všechny skenovací mechanismy jsou kompatibilní s koherentní detekcí. Přijímač potřebuje pozorovat každý bod dostatečně dlouho, aby umožnil světlu dosáhnout a vrátit se z nejvzdálenějšího možného cíle, protože zpětný signál musí být smíchán s vysílaným signálem. Například rozsah 300 m vyžaduje, aby snímací mechanismus zůstal nehybný po dobu alespoň 2 μs, ale mnoho kontinuálně se pohybujících snímacích mechanismů toho není schopno.
Nakonec je důležité poznamenat, že úloha zpracování signálu koherentního lidaru je výrazně větší než přímá detekce. Naštěstí výrobci polovodičů představili výkonné produkty system-on-chip (SoC), které integrují datové převodníky, mikrokontroléry a DSP s plynovými pedály FFT, aby splnily tyto potřeby zpracování signálu: Indie Semiconductor iND83301 Surya LIDAR SoC je jedním z takových příkladů.
PŘEHLED
Různé aplikace lidaru těží z různých přístupů k návrhu. Jak již bylo zmíněno dříve, vysoce výkonná pulzní přímá detekce může dobře fungovat v aplikacích, jako jsou pozemní průzkumy ve vzduchu, kde jsou vyžadovány ultra dlouhé dosahy a kde existuje malé riziko vzájemného rušení systémů LiDAR nebo poškození lidského oka.
Nicméně pro aplikace, jako je ADAS a automatizovaná pozemní vozidla, která vyžadují řadu<1km and where other potentially interfering LiDAR systems are likely to be deployed, coherent detection (and in particular FMCW) offers a number of advantages. These include immunity to interference (including solar), high signal-to-noise ratio (important in adverse weather conditions), locally accurate velocity detection (providing additional information to the sensing system), and ease of system modification. For these reasons, coherent LiDAR detection is gaining momentum given the multiple use cases, especially next-generation automotive sensing.
